量子计算的里程碑  


2019年10月，量子计算机领域出现了一条刷屏互联网的新闻。当时，谷歌团队宣布，他们已经成功实现了量子霸权，表明量子计算机已经达到了可以执行任何经典计算机都无法与之匹敌的计算任务的地步。


然而，在谷歌为自己制定的量子计算路线图中，实现量子霸权仅是第一个里程碑。在2月22日的《自然》杂志上，谷歌的物理学家团队报道称，他们已经实现了量子计算的第二座里程碑：他们可以通过增加量子比特的数量，来降低计算的出错率。


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在谷歌制定的量子计算路线图中，包含了六个里程碑（M1-M6）。（图/GOOGLE QUANTUM AI） 6park.com


逻辑量子比特  


一台成熟的量子计算机，可以执行某些传统计算机所不能完成的任务，比如破解某些加密方案等。然而，要实现这种超越，纠错是一项必须做到的要求。‍


所有计算机都会出错。传统计算机芯片以比特（0或1）的形式储存信息，并将部分信息复制到冗余的纠错比特上。当错误出现时，芯片能自动地发现并修复问题。


与传统比特相比，量子计算机的量子比特不再是简单的0或1，而是“0和1”的叠加。量子比特很容易出错，即使是最轻微的扰乱，比如杂散光，也会导致计算错误。如果不加以纠正，计算就会变得毫无意义。虽然，此前已有一些研究在小规模的量子计算机中展示了对错误的检测和纠正，但纠错仍处于早期阶段。


为了降低出错率，我们需要量子纠错。科学家们打算打造一种能够自我纠错的量子计算机，这样的计算机能将多个不可靠的物理量子比特进行编码，结合成经过了改善的可用于计算的“逻辑量子比特”。


这被认为是唯一一种可以产生错误率低到足以进行有效计算的大规模量子计算的方法。在这种策略中，科学家们不再关注单个量子比特本身，而是关注逻辑量子比特。‍‍‍‍‍‍‍‍‍


逻辑量子比特会冗余地存储信息，这种冗余使量子计算机能够检查是否出现了任何错误，并在运行中进行修复。在理想情况下，逻辑量子比特越大，出错率就越小。使用多个量子比特进行量子纠错的优点就在于，它可以随着规模的扩大而累积优势。‍


量子纠错  


然而，增添更多的物理量子比特也可以是把双刃剑。如果原始量子比特本身的缺陷太大，那么增加更多的量子比特只会导致出现的问题比解决的问题多。


在传统计算机中，有时候一个比特会在噪声的干扰下从0变为1，或者从1变为0。假设将一个比特的信息复制到另外两个比特上，那么在噪声的影响下导致这三个比特都受到干扰的概率就会要小得多。而且如果有一个被干扰了，计算机可以通过比较这些比特来确定是哪一个。


然而，对量子计算机中来说，这种方法并不完全适用。量子力学定律禁止将一个量子比特的状态复制到其他量子比特上。为此，谷歌的研究人员使用了一种被称为“表面码”（surface code）的纠错技术。


这种纠错技术是如何保护信息的？举个简单的例子：Bob想向Alice发送一个读取为“1”的比特，如果比特变成“0”，意味着信息丢失了。于是Bob选择发送三个比特“111”，如果其中一个比特出现了变化，Alice仍然可以通过比较所有接收到的比特，而正确理解预期的信息。在这种情况下，重复信息三次以上增加代码的“大小”，使代码能够容忍更多的单个错误。


而与此同时，对量子纠错来说，量子比特中的信息永远不可以被直接测量，因为对同时处于“0和1”状态的量子比特进行测量，会使其坍缩为0或1。


因此，研究人员在一个“棋盘”上，安排了两种类型的量子比特——“数据”量子比特和“测量”量子比特。数据量子比特构成了逻辑量子比特，测量量子比特则是用于进行“稳定器测量”，这些测量可以在不实际测量单个数据量子比特的值的情况下，告诉我们量子比特是相同的（如预期那般），还是不同的（表明发生了错误）。


在悬铃木上编码逻辑量子比特  


在新的研究中，谷歌的研究团队团队通过使用悬铃木量子芯片，研究了两种不同大小的逻辑量子比特，成功地展示了当逻辑量子比特中的信息分散到越多的物理量子比特中时，出错率就越低。


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图中显示了两个不同版本的悬铃木量子芯片，为了降低量子计算的出错率，谷歌的研究人员对量子比特进行了改进，靠右的是更新版本的量子芯片。（图/GOOGLE QUANTUM AI） 6park.com


研究团队以两种方式将一个72量子比特芯片编码成了逻辑量子比特：一种是由17个量子比特（9个数据量子比特和8个辅助量子比特）组成的，一次可以恢复一个错误；另一种是49个量子比特（25个数据量子比特和24个辅助量子比特）组成的，一次可以同时恢复两个错误。


他们对这两种纠逻辑量子比特分别进行了25轮测试。在整个实验过程中，他们追踪这些错误，但不纠正这些错误。在25轮测试之后，他们直接测量了数据量子比特，统计了仍然存在的错误。


经过多轮实验，研究人员计算出，对于较小的由17个量子比特构成的逻辑量子比特来说，出错率约为3%；而较大的由49个量子比特构成的逻辑量子比特的出错率为2.9%。证实了出错率随着物理量子比特数量的增加而减少。


意义重大的微小进步  


虽然优化的幅度可能并不大，但这一微小的改进表明，科学家终于进入了纠错可以开始通过扩大规模来压制错误的境界。虽然这一新的进展并不意味着我们已经可以建造一台完全纠错的量子计算机，但它的确展示了建造量子计算机是可能的，纠错能力也在提高。


谷歌所设置的第6个里程碑是用1000个物理量子比特，编码一个出错率为0.0001%的逻辑量子比特。研究人员相信，新的突破标志着他们正朝着这一目标迈出了重要一步。